JP5527731B2 - レジストレーションに有用な方法、デバイス、およびシステム - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００７年４月１６日出願の米国仮特許出願第６０／９１２１４０号、および２００７年４月１７日出願の米国仮特許出願第６０／９１２１６９号に対する優先権を主張するものであり、それら両方の仮特許出願を参照として組み込む。

本発明の方法、デバイス、およびシステムは、一般に、画像誘導手術の分野に関し、処置に関連する物体（ツールまたは器具、より詳細には手術用ツールまたは器具など）に対する１つまたは複数の患者画像のレジストレーションに関する。本発明のレジストレーション方法、デバイス、およびシステムが関係する処置で使用することができる手術用ロボットの一例が、米国特許第７１５５３１６号に開示され、その特許を参照として組み込む。手術用ロボットに必ずしも関連付けられないレジストレーション技法の例が、米国特許出願公開第２００５／００５４９１０Ａ１号に含まれ、その特許出願を参照として組み込む。

米国特許第７１５５３１６号

米国特許出願公開第２００５／００５４９１０ Ａ１号

１つの態様では、本発明の技法（方法の形態を取ることもある）は、ロボットアームに対して患者など物体の画像をレジストレーションすることに関し、それにより、’３１６特許に開示されるロボットアームの１つなどロボットアームの器具（手術用器具など）（ロボットアームによって保持される、またはロボットアームと一体である器具など）の表現を、物体の一部分（患者の解剖学的組織の一部分など）の３Ｄ画像の上に重畳することが可能である。重畳は、処置が実施されるときに行われることがあり、それにより、手術用ロボット（ロボットアームがその一部分である）の操作者は、その重畳を処置中のガイドとして表示する表示装置を使用することができる。

（手段１）
（ａ）複数の磁気共鳴イメージング可視マーカーと（ｂ）複数のタッチポイント機構とを使用して、ロボットアームのエンドエフェクタによって保持された、またはエンドエフェクタと一体化された器具の位置に対して、患者の一部分の３次元体積をレジストレーションするための機械可読命令を備えるコンピュータ可読媒体であって、前記ロボットアームが、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成されるコンピュータ可読媒体。
（手段２）
前記３次元体積をレジストレーションすることが、複数の２次元画像をレジストレーションすることを含む手段１に記載のコンピュータ可読媒体。
（手段３）
第１の座標系で表現される、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成されたロボットアームの上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信するため、および前記第１の座標系で表現される前記タッチポイント機構の位置と、第２の座標系で表現される前記タッチポイント機構の位置との間の変換を演算するための機械可読命令を備えるコンピュータ可読媒体。
（手段４）
磁気共鳴イメージング座標系で表現される複数のマーカーそれぞれの位置と、ロボットアームの一部分の位置が系内で分かっている第２の座標系で表現される前記マーカーの位置との間の変換を演算するための機械可読命令を備えるコンピュータ可読媒体であって、前記ロボットアームが、手術処置で使用され、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成されるコンピュータ可読媒体。
（手段５）
レジストレーションツールを使用して識別される、前記レジストレーションツールに関連付けられる第１の座標系で表現される複数のロボットアームタッチポイント機構それぞれの位置を受信するため、前記第１の座標系で表現される位置と、第２の座標系で表現される前記複数のロボットアームタッチポイント機構の位置との間の変換を演算するため、前記第１の座標系で表現される、患者の一部分の位置および向きに関連付けられた構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信するため、前記第１の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置と、第３の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置との間の変換を演算するため、画像座標系で表現される、表示画像内で使用者によって識別される複数のマーカーであって、前記構造の上にある前記タッチポイント機構の１つに対して固定空間関係をそれぞれ有するマーカーそれぞれの位置を決定するため、マーカーに対する前記タッチポイント機構の前記固定空間関係に基づいて、前記画像座標系で表現される、前記構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を決定するため、および前記第３の座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置と、前記画像座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置との間の変換を演算するための機械可読命令を備えるコンピュータ可読媒体。
（手段６）
前記構造が、無線周波数（ＲＦ）コイルに装着される手段５に記載のコンピュータ可読媒体。
（手段７）
前記表示画像が、複数の２次元画像として前記使用者に提示される３次元画像を備える手段５または６に記載のコンピュータ可読媒体。
（手段８）
レジストレーションツールを使用して識別される、前記レジストレーションツールに関連付けられる第１の座標系で表現されるロボットアームの上に位置された複数のロボットアームタッチポイント機構それぞれの位置を受信するため、前記第１の座標系で表現される位置と、第２の座標系で表現される前記複数のロボットアームタッチポイント機構の位置との間の第１の変換を演算するため、前記第１の座標系で表現される、患者の一部分の位置および向きに関連付けられた構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信するため、前記第１の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置と、第３の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置との間の第２の変換を演算するため、画像座標系で表現される、第１の表示画像内で使用者によって識別される複数のマーカーであって、前記構造の上にある前記タッチポイント機構の１つに対して固定空間関係をそれぞれ有するマーカーそれぞれの位置を決定するため、マーカーに対する前記タッチポイント機構の前記固定空間関係に基づいて、前記画像座標系で表現される、前記構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を決定するため、前記第３の座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置と、前記画像座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置との間の第３の変換を演算するため、前記第１の変換、前記第２の変換、および前記第３の変換を使用して、画像座標系で表現される、前記ロボットアームの少なくとも一部分、あるいは前記ロボットアームによって保持された、または前記ロボットアームと一体化された器具の少なくとも一部分の位置を決定するため、および前記患者の一部分を表す画像に重畳する前記器具の表現を示す重畳表示をもたらすための機械可読命令を備えるコンピュータ可読媒体。
（手段９）
前記構造が、無線周波数（ＲＦ）コイルに装着される手段８に記載のコンピュータ可読媒体。
（手段１０）
前記第１の表示画像が、使用者による前記マーカーの識別中に複数の２次元画像として前記使用者に提示される３次元画像を備える手段８または９に記載のコンピュータ可読媒体。
（手段１１）
前記重畳表示が、前記第１の表示画像を使用して生成される手段８から１０のいずれか一項に記載のコンピュータ可読媒体。
（手段１２）
少なくとも、
（ａ）複数の磁気共鳴イメージング可視マーカーと（ｂ）複数のタッチポイント機構とを使用して、ロボットアームのエンドエフェクタによって保持された、またはエンドエフェクタと一体化された器具の位置に対して、患者の一部分の３次元体積をレジストレーションすることを実施するように構成されたコンピュータシステムであって、前記ロボットアームが、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成されるコンピュータシステム。
（手段１３）
前記３次元体積をレジストレーションすることが、複数の２次元画像をレジストレーションすることを含む手段１２に記載のコンピュータシステム。
（手段１４）
少なくとも、第１の座標系で表現される、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成されたロボットアームの上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信すること、および前記第１の座標系で表現される前記タッチポイント機構の位置と、第２の座標系で表現される前記タッチポイント機構の位置との間の変換を演算することを実施するように構成されたコンピュータシステム。
（手段１５）
少なくとも、磁気共鳴イメージング座標系で表現される複数のマーカーそれぞれの位置と、ロボットアームの一部分の位置が系内で分かっている第２の座標系で表現される前記マーカーの位置との間の変換を演算することを実施するように構成されたコンピュータシステムであって、前記ロボットアームが、手術処置で使用され、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成されるコンピュータシステム。
（手段１６）
少なくとも、レジストレーションツールを使用して識別される、前記レジストレーションツールに関連付けられる第１の座標系で表現される複数のロボットアームタッチポイント機構それぞれの位置を受信すること、前記第１の座標系で表現される位置と、第２の座標系で表現される前記複数のロボットアームタッチポイント機構の位置との間の変換を演算すること、前記第１の座標系で表現される、患者の一部分の位置および向きに関連付けられた構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信すること、前記第１の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置と、第３の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置との間の変換を演算すること、画像座標系で表現される、表示画像内で使用者によって識別される複数のマーカーであって、前記構造の上にある前記タッチポイント機構の１つに対して固定空間関係をそれぞれ有するマーカーそれぞれの位置を決定すること、マーカーに対する前記タッチポイント機構の前記固定空間関係に基づいて、前記画像座標系で表現される、前記構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を決定すること、および前記第３の座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置と、前記画像座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置との間の変換を演算することを実施するように構成されたコンピュータシステム。
（手段１７）
前記構造が、無線周波数（ＲＦ）コイルに装着される手段１６に記載のコンピュータシステム。
（手段１８）
前記表示画像が、複数の２次元画像として前記使用者に提示される３次元画像を備える手段１６または１７に記載のコンピュータシステム。（手段１９）
少なくとも、レジストレーションツールを使用して識別される、前記レジストレーションツールに関連付けられる第１の座標系で表現されるロボットアームの上に位置された複数のロボットアームタッチポイント機構それぞれの位置を受信すること、前記第１の座標系で表現される位置と、第２の座標系で表現される前記複数のロボットアームタッチポイント機構の位置との間の第１の変換を演算すること、前記第１の座標系で表現される、患者の一部分の位置および向きに関連付けられた構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信すること、前記第１の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置と、第３の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置との間の第２の変換を演算すること、画像座標系で表現される、第１の表示画像内で使用者によって識別される複数のマーカーであって、前記構造の上にある前記タッチポイント機構の１つに対する固定空間関係をそれぞれ有するマーカーそれぞれの位置を決定すること、マーカーに対する前記タッチポイント機構の前記固定空間関係に基づいて、前記画像座標系で表現される、前記構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を決定すること、前記第３の座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置と、前記画像座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置との間の第３の変換を演算すること、前記第１の変換、前記第２の変換、および前記第３の変換を使用して、画像座標系で表現される、前記ロボットアームの少なくとも一部分、あるいは前記ロボットアームによって保持された、または前記ロボットアームと一体化された器具の少なくとも一部分の位置を決定すること、および前記患者の一部分を表す画像に重畳する器具の表現を示す重畳表示をもたらすことを実施するように構成されたコンピュータシステム。
（手段２０）
前記構造が、無線周波数（ＲＦ）コイルに装着される手段１９に記載のコンピュータシステム。
（手段２１）
前記第１の表示画像が、使用者による前記マーカーの識別中に複数の２次元画像として前記使用者に提示される３次元画像を備える手段１９または２０に記載のコンピュータシステム。
（手段２２）
前記重畳表示が、前記第１の表示画像を使用して生成される手段１９から２１のいずれか一項に記載のコンピュータシステム。
（手段２３）
（ａ）複数の磁気共鳴イメージング可視マーカーと（ｂ）複数のタッチポイント機構とを使用して、ロボットアームのエンドエフェクタによって保持された、またはエンドエフェクタと一体化された器具の位置に対して、患者の一部分の３次元体積をレジストレーションするステップを含む方法であって、前記ロボットアームが、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成される方法。
（手段２４）
前記３次元体積をレジストレーションするステップが、複数の２次元画像をレジストレーションするステップを含む手段２３に記載の方法。（手段２５）
第１の座標系で表現される、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成されたロボットアームに対して固定関係を有する複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信するステップと、前記第１の座標系で表現される前記タッチポイント機構の位置と、第２の座標系で表現される前記タッチポイント機構の位置との間の変換を演算するステップと、前記変換を格納デバイス、コンピュータプログラム、または表示装置に出力するステップとを含む方法。
（手段２６）
第１の座標系で表現される、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成されたロボットアームの上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信するステップと、前記第１の座標系で表現される前記タッチポイント機構の位置と、第２の座標系で表現される前記タッチポイント機構の位置との間の変換を演算するステップと、前記変換を格納デバイス、コンピュータプログラム、または表示装置に出力するステップとを含む方法。
（手段２７）
磁気共鳴イメージング座標系で表現される複数のマーカーそれぞれの位置と、ロボットアームの一部分の位置が系内で分かっている第２の座標系で表現される前記マーカーの位置との間の変換を演算するステップと、前記変換を格納デバイス、コンピュータプログラム、または表示装置に出力するステップとを含む方法であって、前記ロボットアームが、手術処置で使用され、遠隔に位置する操作者によって制御されるように構成される方法。
（手段２８）
レジストレーションツールを使用して識別される、前記レジストレーションツールに関連付けられる第１の座標系で表現される複数のロボットアームタッチポイント機構それぞれの位置を受信するステップと、前記第１の座標系で表現される位置と、第２の座標系で表現される前記複数のロボットアームタッチポイント機構の位置との間の第１の変換を演算するステップと、前記第１の座標系で表現される、患者の一部分の位置および向きに関連付けられた構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信するステップと、前記第１の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置と、第３の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置との間の第２の変換を演算するステップと、画像座標系で表現される、表示画像内で使用者によって識別される複数のマーカーであって、前記構造の上にある前記タッチポイント機構の１つに対して固定空間関係をそれぞれ有するマーカーそれぞれの位置を決定するステップと、マーカーに対する前記タッチポイント機構の前記固定空間関係に基づいて、前記画像座標系で表現される、前記構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を決定するステップと、前記第３の座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置と、前記画像座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置との間の第３の変換を演算するステップと、前記第１の変換、前記第２の変換、および前記第３の変換を格納デバイス、コンピュータプログラム、または表示装置に出力するステップと
を含む方法。
（手段２９）
前記構造が、無線周波数（ＲＦ）コイルに装着される手段２８に記載の方法。
（手段３０）
前記表示画像が、複数の２次元画像として前記使用者に提示される３次元画像を備える手段２８または２９に記載の方法。
（手段３１）
レジストレーションツールを使用して識別される、前記レジストレーションツールに関連付けられる第１の座標系で表現されるロボットアームの上に位置された複数のロボットアームタッチポイント機構それぞれの位置を受信するステップと、前記第１の座標系で表現される位置と、第２の座標系で表現される前記複数のロボットアームタッチポイント機構の位置との間の第１の変換を演算するステップと、前記第１の座標系で表現される、患者の一部分の位置および向きに関連付けられた構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を受信するステップと、前記第１の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置と、第３の座標系で表現される前記構造の上にある前記複数のタッチポイント機構の位置との間の第２の変換を演算するステップと、画像座標系で表現される、第１の表示画像内で使用者によって識別される複数のマーカーであって、前記構造の上にある前記タッチポイント機構の１つに対する固定空間関係をそれぞれ有するマーカーそれぞれの位置を決定するステップと、マーカーに対する前記タッチポイント機構の前記固定空間関係に基づいて、前記画像座標系で表現される、前記構造の上にある複数のタッチポイント機構それぞれの位置を決定するステップと、前記第３の座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置と、前記画像座標系で表現される前記複数のタッチポイント機構の位置との間の第３の変換を演算するステップと、前記第１の変換、前記第２の変換、および前記第３の変換を使用して、画像座標系で表現される、前記ロボットアームの少なくとも一部分、あるいは前記ロボットアームによって保持された、または前記ロボットアームと一体化された器具の少なくとも一部分の位置を決定するステップと、前記患者の一部分を表す画像を重畳する前記器具の表現を示す重畳表示をもたらすステップとを含む方法。
（手段３２）
前記構造が、無線周波数（ＲＦ）コイルに装着される手段３１に記載の方法。
（手段３３）
前記第１の表示画像が、使用者による前記マーカーの識別中に複数の２次元画像として前記使用者に提示される３次元画像を備える手段３１または３２に記載の方法。
（手段３４）
前記重畳表示が、前記第１の表示画像を使用して生成される手段３１から３３のいずれか一項に記載の方法。
（手段３５）
無線周波数（ＲＦ）コイルと、前記ＲＦコイルに結合された第１構造とを備えるデバイスであって、前記第１構造が、複数の磁気共鳴イメージング可視マーカーと、物理的レジストレーションプロセス中にレジストレーションツールとインターフェースするように構成された複数のタッチポイント機構であって、少なくとも１つの磁気共鳴イメージング可視マーカーに対して固定空間関係をそれぞれ有する複数のタッチポイント機構とを備えるデバイス。
（手段３６）
無線周波数（ＲＦ）コイルと、前記ＲＦコイルに結合された第１構造であって、磁気共鳴イメージング可視マーカーを受け入れるようにそれぞれサイズ設定された複数の凹部を含む第１構造と、各凹部を覆い、前記第１構造に結合される着脱可能なキャップとを備えるデバイス。
（手段３７）
さらに、前記複数の凹部それぞれの中に配設された磁気共鳴イメージング可視マーカーを備える手段３６に記載のデバイス。
（手段３８）
各キャップが、物理的レジストレーションプロセス中にレジストレーションツールとインターフェースするように構成されたタッチポイント機構を含み、前記タッチポイント機構が、前記キャップによって覆われた前記凹部内に配設された前記磁気共鳴イメージング可視マーカーに対して固定空間関係を有する手段３７に記載のデバイス。
（手段３９）
各キャップが、物理的レジストレーションプロセス中にレジストレーションツールとインターフェースするように構成されたタッチポイント機構を含み、前記タッチポイント機構が、前記キャップによって覆われた前記凹部に対して固定空間関係を有する手段３６に記載のデバイス。
（手段４０）
前記デバイスが、磁気共鳴イメージングの下での前記磁気共鳴イメージング可視マーカーの視認性と、前記デバイスの信号対雑音性能との両方を維持しながら、殺菌プロセスが適用されるときに前記殺菌プロセスに耐えられるように構成される手段３７に記載のデバイス。
（手段４１）
前記デバイスが耐えられるように構成された前記殺菌プロセスが、前記デバイスを、約４００ｍＴｏｒｒの真空環境にさらすステップと、前記デバイスを、約１７分間、約５００ｍＴｏｒｒで約４００Ｗ ＲＦパワーで活性化されるＨ２Ｏ２プラズマにさらすステップとを含む手段４０に記載のデバイス。
（手段４２）
無線周波数（ＲＦ）コイルと、前記ＲＦコイルに結合された第１構造と、デバイスが患者の頭部に固定されるときに、少なくとも４の移動自由度での調節を前記第１構造に提供する装着機構であって、前記少なくとも４の移動自由度が、前記患者の頭足方向での並進と、アップダウン方向での並進と、方位角回転を含む移動と、傾斜を含む移動とを含む装着機構とを備えるデバイス。
（手段４３）
前記装着機構が、前記第１構造に固定された並進ブラケットと、垂直ストラットに関する前記並進ブラケットの直線並進および角度変位が可能であるように、前記並進ブラケットに結合された垂直ストラットと、上側アーチに関する前記垂直ストラットの直線並進および角度変位が可能であるように、前記垂直ストラットに結合された上側アーチと、前記上側アーチに結合された下側構造とを備え、前記患者の頭足方向での前記第１構造の並進が、前記垂直ストラットに関する前記並進ブラケットの直線並進を伴い、前記アップダウン方向での前記第１構造の並進が、前記上側アーチに関する前記垂直ストラットの直線並進を伴い、方位角回転を含む前記第１構造の移動が、前記上側アーチに関する前記垂直ストラットの角度変位を伴い、傾斜を含む前記第１構造の移動が、前記垂直ストラットに関する前記並進ブラケットの角度変位を伴う手段４２に記載のデバイス。
（手段４４）
さらに、前記下側構造に結合された下側無線周波数コイルを備える手段４３に記載のデバイス。
（手段４５）
前記下側無線周波数コイルが、前記下側構造の内部に完全に閉じ込められる手段４４に記載のデバイス。
（手段４６）
前記第１構造が、複数の磁気共鳴イメージング可視マーカーと、物理的レジストレーションプロセス中にレジストレーションツールとインターフェースするように構成された複数のタッチポイント機構であって、少なくとも１つの磁気共鳴イメージング可視マーカーに対して固定空間関係をそれぞれ有する複数のタッチポイント機構とを含む手段４２から４４のいずれか一項に記載のデバイス。
（手段４７）
前記第１構造が、磁気共鳴イメージング可視マーカーを受け入れるようにそれぞれサイズ設定された複数の凹部を含み、前記デバイスが、さらに、各凹部を覆い、前記第１構造に結合される着脱可能なキャップを備える手段４２から４４のいずれか一項に記載のデバイス。
（手段４８）
さらに、前記複数の凹部それぞれの中に配設された磁気共鳴イメージング可視マーカーを備える手段４７に記載のデバイス。
（手段４９）
各キャップが、物理的レジストレーションプロセス中にレジストレーションツールとインターフェースするように構成されたタッチポイント機構を含み、前記タッチポイント機構が、前記キャップによって覆われた前記凹部内に配設された前記磁気共鳴イメージング可視マーカーに対して固定空間関係を有する手段４８に記載のデバイス。
（手段５０）
各キャップが、物理的レジストレーションプロセス中にレジストレーションツールとインターフェースするように構成されたタッチポイント機構を含み、前記タッチポイント機構が、前記キャップによって覆われた前記凹部に対して固定空間関係を有する手段４７に記載のデバイス。
（手段５１）
前記デバイスが、磁気共鳴イメージングの下での前記磁気共鳴イメージング可視マーカーの視認性と、前記デバイスの信号対雑音性能との両方を維持しながら、殺菌プロセスが適用されるときに前記殺菌プロセスに耐えられるように構成される手段４８に記載のデバイス。
（手段５２）
前記デバイスが耐えられるように構成された前記殺菌プロセスが、前記デバイスを、約４００ｍＴｏｒｒの真空環境にさらすステップと、前記デバイスを、約１７分間、約５００ｍＴｏｒｒで約４００Ｗ ＲＦパワーで活性化されるＨ２Ｏ２プラズマにさらすステップとを備える手段５１に記載のデバイス。
（手段５３）
さらに、前記第１構造に結合された第２の無線周波数コイルを備える手段３５から５２のいずれか一項に記載のデバイス。
（手段５４）
前記第２の無線周波数コイルが、前記ＲＦコイルよりも小さい手段５３に記載のデバイス。
（手段５５）
前記第２の無線周波数コイルが、磁気共鳴イメージングにおいて、前記ＲＦコイルによって実現可能なよりも高い信号対雑音比を実現することができる手段５３または５４に記載のデバイス。
（手段５６）
前記第１構造が、さらに、左側区域と右側区域との間に位置決めされた中央区域を備え、前記中央区域に交差し、前記デバイスが前記患者の頭部に固定されるときに患者の中心線に実質的に平行であり、かつ前記左側区域または前記右側区域に交差しない長手方向平面が存在し、前記長手方向平面に垂直であり、前記中央区域、前記左側区域、および前記右側区域それぞれに交差する横方向平面が存在し、前記中央区域が、前記横方向平面に実質的に平行な中央区域端面部分を有し、前記左側区域が、前記横方向平面に実質的に平行な左側区域端面部分を有し、前記右側区域が、前記横方向平面に実質的に平行な右側区域端面部分を有し、前記中央区域端面部分が、前記左側区域端面部分または前記右側区域端面部分よりも横方向平面に近い手段５３から５５のいずれか一項に記載のデバイス。
（手段５７）
前記ＲＦコイルが、前記第１構造の内部に完全に閉じ込められる手段３５から５６のいずれか一項に記載のデバイス。
（手段５８）
前記第２のＲＦコイルが、前記第１構造の内部に完全に閉じ込められる手段５３から５６のいずれか一項に記載のデバイス。

１つの態様では、本発明のデバイスは、例えば手術やロボットアームなどのための自由なアクセスを可能にする無線周波数（ＲＦ）コイルデバイスを備える。ＲＦコイルデバイスは、基準マーカーを受け入れて少なくとも部分的に取り囲むことができる凹部などのポケットを含むことがある（例えば、１つのポケットに１つのマーカー）。いくつかの実施形態では、気体または液体浸漬殺菌処置のために、基準マーカー（例えば、ビタミンＥカプセル）を含む１つまたは複数のポケットを、（例えば、デジタイジングアームなどのレジストレーションツールが接触できるように構成されたタッチポイントを含む少なくとも１つのキャップを使用して）封止することができる。ＲＦコイルデバイスは、任意のタイプの殺菌を可能にする材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、デバイスは、殺菌されるように構成されることがあり、それにより、開頭部を有する患者に関して位置決めすることができ、開頭部に最近接するデバイスの部分は、いくつかの実施形態では外傷から５０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では４０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では３０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では２０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では１０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では約５センチメートル未満である。手術台、または手術台に結合された構造に装着されるとき、ＲＦコイルデバイスは、その少なくとも一部分を、アップダウン（前後並進と呼ばれることもある）、頭足（上下並進と呼ばれることもある）、回転、および傾斜など、複数の（例えば４つの）方向で移動させることができるように構成されることがある。
ＲＦコイルデバイスは、選択された対象手術領域内に信号対雑音性能を集中させるように構成されることがある。ＲＦコイルデバイスに提供される任意のタッチポイント機構が、所与の基準マーカーに隣接する（例えば近位にある）ことがある。ＲＦコイルデバイスは、脳手術用の頭部ホルダ、または心臓、膝、脊椎など他の手術用の任意の他のホルダに装着されるように構成されることがある。したがって、ＲＦコイルデバイスは、術中磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム、ほとんどの手術用ロボットアーム（身体の任意の部分にある）、脳手術における頭部ホルダと組み合わせて特定の領域内で非常に高い感度を有する種類のＲＦコイルデバイスのための標準の磁気共鳴（ＭＲ）イメージング、および画像誘導システムと共に使用されることがある。

別の態様では、本発明のデバイスは、頭部クランプに解放可能に結合されたＲＦコイルデバイスを含むことがある。

本発明の方法およびデバイスの他の特徴および実施形態を以下に説明し、かつ／または添付図面に示す。

本発明の任意の方法、デバイス（例えば、コンピュータ可読媒体）、およびシステム（例えば、コンピュータシステム）の任意の実施形態は、記述された機能、ステップ、および／または機構からなる、またはそれらから実質的になる（「備える／含む／包含する／有する」ではなく）ことがある。したがって、任意の特許請求の範囲において、所与の特許請求の範囲の範囲を、制限のない連結動詞を使用した場合の範囲から変更するために、上に記述した任意の制限のない連結動詞の代わりに用語「からなる」または「から実質的になる」が用いられることがある。

以下の図面は、例として示され、限定ではない。同一の参照番号が同一の構造、システム、または表示装置を指すとは必ずしも限らない。同じ参照番号は、同様の機構、または同様の機能を有する機構を示すために使用されることがある。各実施形態のあらゆる機構が、あらゆる図面において符号を付されているわけでは必ずしもなく、図中、実施形態は、図面が明瞭になるように示されている。図面に示されるハンドコントローラ、マニピュレータ、ＲＦコイルデバイス、および頭部クランプは、縮尺を合わせて図示されており、これは、図示される要素のサイズが互いに正確であることを意味する。

レジストレーションツールのＲＦコイルデバイスおよびレジストレーションアームを示す図である。 レジストレーションツールのＲＦコイルデバイスおよびレジストレーションアームを示す図である。 レジストレーションツールのＲＦコイルデバイスおよびレジストレーションアームを示す図である。 ＲＦコイルに装着された構造の一部分の組立て図であり、（使用時に）構造の図示された凹部に埋め込まれるマーカーと、タッチポイント機構を包含するキャップとを示す図である。使用時、キャップは、マーカーを覆い、固定具を使用して構造に固定される。 様々な座標系と、座標系の間での計算された変換との概略図である。 患者の一部分を表す画像に重畳する、ロボットアームによって保持された手術用ツールの表現を示す重畳表示を示す図である。 本発明のＲＦコイルデバイスのいくつかの実施形態に存在するＲＦコイルを示す概略図である。 ４自由度での第１構造の調節を可能にする装着機構を有するＲＦコイルデバイスの斜視図である。 患者の頭足方向で第１構造が並進されるＲＦコイルデバイスの調節を示す図である。 アップダウン方向で第１構造が並進されるＲＦコイルデバイスの調節を示す図である。 第１構造が方位角方向で回転されるＲＦコイルデバイスの調節を示す図である。 第１構造が傾斜されるＲＦコイルデバイスの調節を示す図である。 ＲＦコイルデバイスに固定された患者の頭部に対する手術を行うロボットを示す図である。

用語「備える」（およびその任意の活用形）、「有する」（およびその任意の活用形）、「含む」（およびその任意の活用形）、および「包含する」（およびその任意の活用形）は、制限のない連結動詞である。したがって、いくつかのステップを含む方法は、少なくとも記述されるステップを含み、しかし記述されるステップのみを含むことに限定されない方法である。

同様に、いくつかのステップを実施するための機械可読命令を「備える」コンピュータ可読媒体は、少なくとも記述されるステップを実施するための機械可読命令を有するコンピュータ可読媒体であり、しかし追加の記述されないステップを実施するための機械可読命令を有する媒体も含む。さらに、少なくともいくつかの機能を実施するように構成されたコンピュータシステムは、記述される機能のみを実施することに限定されない。

単数形表記は、本出願で特に指示がない限り、１つまたは複数と定義される。用語「別の」は、少なくとも第２のものまたはそれ以降のものと定義される。用語「実質的に」および「約」は、所与の値または状態に少なくとも近い（およびその値または状態を含む）ことと定義される（好ましくは、所与の値または状態の１０％以内、より好ましくはその１％以内、および最も好ましくはその０．１％以内）。

操作者による画像誘導の使用を含む手術用ロボットに関わる手術処置の一部として、レジストレーションプロセスを使用して、様々な構成要素（処置の実施に最も重要な構成要素など）の互いに関する位置決め（例えば、実質的に正確な位置決め）を決定することができる。レジストレーションプロセスは、様々な特定の構成要素に関する既知の位置を、共通の基準環境または「作業空間」にマッピングできるようにすることがある。例えば、アブソリュートエンコーダの使用と、システム運動学の計算とが、ロボットのベースに関する手術用ロボットのエンドエフェクタ位置の決定を可能にすることがある。同様に、患者の頭部に固定されたデバイスに関する患者の解剖学的特徴の位置を正確に知ることができる。しかし、患者の頭部に固定されたデバイスに関するロボットのベースの位置は、処置ごとに異なることがあり、したがって既知ではない。本発明のレジストレーションプロセスは、同一の作業空間内でのロボットの位置データと患者の解剖学的データとの表現を容易にする。その結果、ロボットアームのジョイントの位置を表す値から取られる、手術用ロボットのロボットアーム（本開示では、マニピュレータとしても特徴付けられる）によって担持された、またはロボットアームと一体化された外科用ツール（外科用器具として特徴付けられることもある）の位置を使用して、ロボットの操作者が見ることができる表示装置上で患者の３Ｄ画像（例えば、ＭＲＩ機械を使用して撮影された画像）のボリュームレンダリングの上にツールの仮想表現を重畳することができる。さらに、操作者は、その重畳されたツール位置を参照として使用して、例えば患者の頭部の特定の位置へマニピュレータを動かすことができる。

いくつかの実施形態では、これを実現するために２段階のレジストレーション（物理的およびＭＲＩ）を行うことができる。いくつかの実施形態では、物理的レジストレーションは、１つまたは複数のマニピュレータの上、患者の頭部に固定することができるＲＦコイルに装着された構造（例えば、時として第１構造と呼ばれる剛性構造）の上、およびＲＦコイルに装着された２次ターゲット（これもまた剛性であってよく、時として第２構造と呼ばれる）の上にある物理的タッチポイント機構を使用者が選択することを含む。本開示を通じて、物体の「上」にあるタッチポイントは、その物体と一体化された、または他の様式で接続されたものである。一般に、タッチポイントは、レジストレーションツールの先端によって接触することができる機構（窪みまたは***）を含む。いくつかの実施形態では、ＭＲＩレジストレーションは、（ＲＦコイルデバイスと第１構造とが患者の頭部に固定されるときに）ＭＲＩシステム（オープンボアであるかクローズドボアであるかに関わらない）などのイメージングデバイスを使用して撮影された患者の画像に現れる第１構造に埋め込まれたマーカーを、使用者が識別／選択することを含む。

いくつかの実施形態では、レジストレーションプロセスは、（１つまたは複数の）マニピュレータの座標空間と第１構造の座標空間との間の変換と、第１構造の座標空間からＭＲＩ画像座標空間への変換とを演算することができる。本開示では、座標空間と座標系とは同義である。これらの変換は、マニピュレータジョイント値に基づいたツール先端位置など、マニピュレータ座標空間内のデータを、ＭＲＩ画像空間内で表現できるようにする。これは、ＭＲＩ画像空間内で、（１つまたは複数の）マニピュレータによって保持される（１つまたは複数の）ツールの位置をレンダリングすることを可能にする。さらに、ＲＦコイルデバイスおよび他の構造の位置を定義することができ、それにより、これらの構造にマニピュレータが接触するのを防止するために衝突検出を行うことができる。

（１．０ モデル）
各物体（例えば、各マニピュレータ、第１構造、および第２構造）に関して、その物体の当該の座標系で、その物体の上にあるタッチポイント機構の３Ｄ座標を定義するモデル（時として、所与の物体に関するタッチポイントモデルと呼ばれる）を生成することができる。いくつかの実施形態では、各モデルは、物体の座標系を使用して、その物体の上にある各タッチポイントの３Ｄ座標のリストを備えるデータ構造の形態を取ることができる。いくつかの実施形態では、所与の物体の座標系は、その物体の全ての使用に共通である。例えば、第１構造の場合、その構造の３Ｄ表面モデル（グラフィック表示することができる）と、第１構造に関するタッチポイントモデルと、第１構造の空間での３Ｄ座標を使用して生成される、第１構造の上にあるタッチポイント機構の傍で第１構造に埋め込まれたマーカー（ＭＲＩ可視マーカーであることがある）のモデルとが全て、同一の座標系で表現される。他の実施形態では、所与の物体に関するタッチポイントモデルと３Ｄ表面モデルとは、それらの間の物理的な関係が既知である、またはそれら２つに関する変換行列が存在すると仮定して、異なる座標系で表現することができる。

次に図面を参照すると、本発明のレジストレーション方法、デバイス、およびシステムのいくつかの実施形態の実施に関わる様々な座標系が図５に示される。第１の座標系５１０は、レジストレーションツール２０（例えば、図１〜３参照）に関連付けられ、第２の座標系５２０は、ロボットアーム３０（例えば、図２および３参照）に関連付けられ、第３の座標系５３０は、第１構造１００（多くの図面を通して示される）に関連付けられ、磁気共鳴イメージング座標系５４０は、第１構造１００の磁気共鳴画像に関連付けられる。

（２．０ タッチポイント機構およびＭＲマーカー）
（２．１ アームベースタッチポイント機構）
いくつかの実施形態では、各マニピュレータの上に４つのタッチポイント機構が存在し、３つが、マニピュレータのベースの上にあり、第４のタッチポイント機構が、ショルダヨー回転軸上のショルダロールジョイントの上にある。第４のポイントは、冗長として、解を限定するために使用される。各タッチポイントは、レジストレーションアーム先端を受け取るように円錐形の窪みとして部品に機械加工することができる。他の実施形態は、レジストレーションアーム先端の凹部に係合する突起など、レジストレーションアーム先端とインターフェースするための他のタッチポイント機構を有することができる。４つの機構は、使用することができる機構の最小数であり、より多くの機構を、追加の冗長として、または追加の自由度を有するマニピュレータに関する解を限定するために使用することができる。しかし、６自由度のマニピュレータに関しては、レジストレーションプロセスに必要な時間を短縮するために、レジストレーションプロセス中に４つ以下の機構を使用することが好ましいことがある。タッチポイント機構は、一意の解を生み出すタッチポイント機構の数を最小にするために、互いに非対称関係で位置決めすることができる。

他の実施形態では、４つのタッチポイント機構は、所与のマニピュレータと既知の関係（例えば、固定関係）を有する構造の上に位置決めすることができる。例えば、マニピュレータが、可動ベースに固定関係で固定される場合、４つのタッチポイント機構のいくつかを、その可動ベースの上に位置させることができる。

（２．２ 第２構造（２次ターゲット）タッチポイント機構）
いくつかの実施形態では、第２構造（２次ターゲットとも呼ばれる）の上に４つのタッチポイント機構が存在する。タッチポイント機構のレイアウトは、所与のマニピュレータの上にある４つのタッチポイント機構と同様であってよい。２次構造は、必要であれば再レジストレーションに対応するように、第１構造に固定された設定可能な位置を提供する働きをする。本発明のレジストレーション、システム、および方法、ならびに本発明のＲＦコイルデバイスの一実施形態の２次ターゲット３１０は、例えば図１および３に示される。

（２．３ 第１構造タッチポイント機構およびＭＲマーカー）
いくつかの実施形態では、第１構造の形状は、ＲＦコイルを完全に取り囲み、第１構造は、図４の拡大図に示されるように、第１構造の上にあるタッチポイント機構が、第１構造１００に埋め込まれた磁気共鳴イメージング可視マーカー１４０に対して固定距離にあるように構成される。適切なＭＲマーカーの１つとしては、ＭＲ画像上で非常に良く見える球形ビタミンＥカプセルがある。カプセルは、第１構造１００の凹部１２０内に配置される。次いで、凹部１２０は、着脱可能なキャップ１３０を使用して封止され、キャップ１３０は、第１構造１００にねじ式に留まり、キャップの上部露呈部分にタッチポイント機構１１０を含む。したがって、必要に応じてカプセルを交換することができる。

第１構造タッチポイント機構およびＭＲマーカーの配置は、それらが非対称的であるようなものであり、ほとんどの第１構造タッチポイント機構の間の距離は一意であり、それらの距離の識別を補助する。第１構造に関する一意の解の決定に必要な数よりもはるかに多数の第１構造タッチポイント機構が、第１構造全体にわたって分散されることがあり、それにより、第１構造、手術用ロボット、および手術室内部の他の物体の向きに関わらず、レジストレーションを達成するのに十分な点を利用可能である。多数のタッチポイント機構１１０を有する第１構造１００を有するデバイス１０の一実施形態が、図８に示される。

（３．０ 物理的レジストレーションプロセス）
いくつかの実施形態では、使用者は、Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＭｉｃｒｏＳｃｒｉｂｅ（登録商標）ＭＸレジストレーションアームなど、高精度のデジタイザであるレジストレーションツールを使用して、全ての物体の上にある全てのタッチポイント機構を選択する。レジストレーションツールは、（１つまたは複数の）ロボットアームが固定されるベース上に位置決めすることができる。これらのタッチポイント機構は、レジストレーションツールの座標系（レジストレーションツールに関連付けられた座標系と呼ばれることもある）で識別される。したがって、それらの位置は、レジストレーションツール座標系内にある。

図１〜３を参照すると、レジストレーションツール２０が第１の座標系５１０に関連付けられた実施形態が示される。図３に示される実施形態を参照すると、第１の座標系５１０は、レジストレーションツール２０に関連付けられ、第２の座標系５２０は、ロボットアーム３０に関連付けられ、第３の座標系５３０は、第１構造１００に関連付けられる。

いくつかの実施形態では、最初のステップは、レジストレーションツールを使用して収集された全てのタッチポイント機構から、ロボットアームの上にあるタッチポイント機構を自動的に特定することである。次いで、レジストレーションツールによって取られたこれらのロボットアームのタッチポイント機構が、所与のロボットアームのタッチポイントモデルにマッチングされ、したがって、コンピュータシステムは、物理的レジストレーション中に取られたタッチポイント機構を、ロボットアームのタッチポイントモデル内の対応するタッチポイント機構と相関させる。レジストレーションポイント（すなわち、レジストレーションツールを使用して取られたロボットアームのタッチポイント機構）と、ロボットアームのタッチポイントモデルとの間の変換は、最小二乗アルゴリズムまたは他の回帰法を使用して演算される。この変換は、レジストレーションアーム座標系（時として「フレーム」と呼ばれる）から、当該のロボットアームの座標系への変換を表す。図５を参照すると、この変換は、レジストレーションアームに関連付けられた第１の座標系５１０と、ロボットアームに関連付けられた第２の座標系５２０との間の線によって示される。

いくつかの実施形態では、全ての残りのレジストレーションポイント（すなわち、レジストレーションツールを使用して識別された全ての残りのタッチポイント機構の位置）が、標準の同次変換行列を使用して、ワールド座標系に変換される。ワールド座標系は、各当該のロボットアームの座標系のうちの当該座標系に対して既知の関係を有する座標系であってよい。この変換は、任意のさらなる最小二乗演算が、ワールド座標系と、それぞれ第１構造または２次ターゲットの座標系との間の変換を生じるように行われる。

顕微手術が行われるいくつかの実施形態では、レジストレーションされた、２次ターゲットの上にあるタッチポイント機構のうちのいくつかのタッチポイント機構が、それらのタッチポイント機構の間の距離に基づいて、マッチングプロセスを使用して特定される。ワールド空間内で識別される２次ターゲットタッチポイント機構と、２次ターゲットの座標系内でのそれら同じタッチポイント機構との間の変換は、最小二乗アルゴリズムまたは他の回帰法を使用して演算することができる。この変換は、ワールド座標系と、２次ターゲットの座標系との間の変換を表す。２次ターゲットの上にあるタッチポイント機構は、マッチングの後、かつこの変換の前に、ワールド座標系内で既知であるが、この変換は、システムが２次ターゲットの位置および向きを知ることができるようにし、２次ターゲットに関して衝突検出を達成できるようにする。さらに、ロボットアームが（例えば、それが位置決めされたプラットフォームの移動によって）移動する場合、第１構造が装着されたＲＦコイルが取り外される、または移動される場合、あるいは２次ターゲットが、それが固定関係で装着された頭部クランプの移動によって移動する場合、この変換は、２次ターゲット（したがって患者の頭部）に関する他の物体の位置を再び知ることができるように、レジストレーションツールを使用して、２次ターゲット（したがって、患者の頭部に固定された頭部クランプ）の位置を再レジストレーションできるようにする。

いくつかの実施形態では、全ての残りのレジストレーションタッチポイント機構（マッチングされたマニピュレータタッチポイント機構またはマッチングされた２次ターゲットタッチポイント機構を含まないタッチポイント機構）が、第１構造タッチポイントモデルにマッチングされ、それにより、コンピュータシステムは、どの第１構造のレジストレーションポイントが、第１構造タッチポイントモデル内のタッチポイント機構のどれに対応するかを知る。第１構造のレジストレーションポイント（上述したように、ワールドフレーム内にあることがある）と、第１構造タッチポイントモデルのフレームとの間の変換は、最小二乗アルゴリズムまたは他の回帰法を使用して計算されることがある。図５を参照すると、この変換は、レジストレーションアームに関連付けられた第１の座標系５１０と、第１構造に関連付けられた第３の座標系５３０との間の線によって示される。

（３．１ タッチポイント機構のマッチングおよび変換）
上述したように、いくつかの実施形態では、収集されたレジストレーションタッチポイント機構は、マッチングプロセスを使用して、マニピュレータタッチポイント機構、２次ターゲットタッチポイント機構、または第１構造タッチポイント機構のいずれかとして識別される。第１構造の場合、タッチポイント機構とＭＲマーカーとの両方に関して、全てのレジストレーションポイントから３つのポイント、すなわち一意の同次変換を演算するために必要とされる最小数のポイントが選択される。選択された３つが解を提供しない場合には、全ての可能な組合せがなくなるまでプロセスが繰り返されるので、どの３つのレジストレーションポイントが選択されるかは関係ない。これら３つの選択されたポイントの間の距離が、標準的の２ノルム計算を使用して計算される。次いで、これらの距離は、選択されたレジストレーションポイントからの３つの距離とタッチポイントモデルからのマッチングされた３つの距離とが許容範囲内にくるまで、第１構造タッチポイントモデル内の全てのタッチポイント機構の間の距離と比較される。距離マッチングが見つかると、３つの選択されたレジストレーションポイントと、タッチポイントモデルからの３つの対応するタッチポイント機構との間の変換が、最小二乗アルゴリズムまたは他の回帰法を使用して計算される。次いで、この変換を使用して、第１構造の上で識別された全ての残りのレジストレーションポイントが、第１構造の座標系（または、第１構造のタッチポイントモデルを定義するために使用された何らかの座標系）内に移される。レジストレーションポイントが共通の座標系内にくると、変換されたレジストレーションポイントと、第１構造に関するタッチポイントモデルまたは第１構造の座標空間内にあるＭＲマーカー位置のモデルとの間で、それらの間の距離がしきい値未満になるマッチング点を特定することによって、別のマッチングが行われる。しきい値は、レジストレーションアーム精度よりも大きくなるように、しかしマッチングが別の近傍のポイントを選択する可能性があるほど大きくはならないように定義される。このプロセスでマッチングされるポイントのパーセンテージがしきい値未満である場合、妥当なマッチが見つかるまで（それが存在すると仮定して）、他の３つの機構を使用してプロセス全体が繰り返される。

（４．０ ＭＲＩレジストレーション）
第１構造は、ＭＲＩ画像内に表示されるマーカーを含む。これらのマーカーは、市販のＭＲ画像ビューアを使用して使用者によって選択される。使用者は、各画像を調べて、ＭＲマーカーに対応する領域を指定することによって、機構を選択する。ＭＲ画像ビューアは、使用者の選択を処理して、ＭＲマーカーの強度を有する画像画素を検出する。これは、選択された画像内、および対応する断面を異なる深さで表現する隣接する画像内で行われる。これは、使用者に選択されたマーカーの３Ｄ体積を生成する。この体積の質量中心が計算され、画像空間内のＭＲマーカーの中心を表す。所与のマーカーの質量中心が、以下に説明されるマッチングおよび変換で使用される。

全てのマーカーが選択され、質量中心が特定されると、それらのマーカーは、ＭＲマーカーに関するモデルからのＭＲマーカー距離を使用してマッチングすることによって識別される。識別されると、画像空間内のＭＲマーカーの位置と、モデルの座標空間内のそれらの位置との間の変換が、最小二乗アルゴリズムまたは他の回帰法を使用して計算される。この変換は、第１構造の座標系とＭＲＩ画像空間との間の変換を生み出す。

第１構造１００の磁気共鳴画像の映像が図６に示される。患者の頭部の画像が、映像の中央に見え、２つの磁気共鳴イメージング可視マーカーが、頭部の右上にわずかに見える。（１）磁気共鳴イメージング座標系内で表現される磁気共鳴イメージング可視マーカー１４０を、磁気共鳴イメージング座標系内で表現される対応するタッチポイント機構と相関させ、かつ（２）第３の座標系内で表現される複数のタッチポイント機構の位置と、画像座標系内で表現される複数のタッチポイント機構の位置との間の変換を演算することによって、第１構造１００に関連付けられる第３の座標系５３０と、第１構造１００の磁気共鳴画像に関連付けられる磁気共鳴イメージング座標系５４０との間の変換が演算される。

図５に戻ると、第１構造１００に関連付けられる第３の座標系５３０と、第１構造１００の磁気共鳴画像に関連付けられる磁気共鳴イメージング座標系５４０との間の変換が、第３の座標系５３０と磁気共鳴イメージング座標系５４０との間の線によって示される。図５に示される全ての座標系の間の変換が分かっており、したがって、任意の座標系内で表現される位置データの変換を、任意の他の座標系に変換させることができる。例えば、第２の座標系５２０内で表現されるロボットアーム位置データは、一連の変換を使用して、第２の座標系５２０からのデータの表現を第１の座標系５１０に変換し、さらに第３の座標系５３０に変換し、最終的に磁気共鳴イメージング座標系５４０に変換することによって、画像座標系内で表現される位置データに変換することができる。

（４．１ ＭＲタッチポイント機構のマッチング）
いくつかの実施形態では、ＭＲタッチポイントマッチングアルゴリズムは、マニピュレータタッチポイント機構と２次ターゲットタッチポイント機構との両方に関して使用されるアルゴリズムと実質的に同じである。最初に、アルゴリズムが適用され、全てのレジストレーションポイントを使用して、マニピュレータタッチポイント機構を見つける（定位手術では１組であり、顕微手術では２組である）。次いで、見つかったマニピュレータタッチポイント機構は、フラグを立てられ、２次ターゲットタッチポイント機構を識別する次のステップでは使用されない。以下の説明は、例示的なプロセスを概説する。
１．モデル内の全てのポイント対の間の距離を計算する。
２．モデル内のトップポイント機構（すなわち、トップタッチポイント機構）とポイントの残り（ボトムタッチポイント機構およびサイドタッチポイント機構）との間の距離を表す距離のうち、大きい方から３つの距離を取り上げる。
３．２つのベクトル「トップポイント機構−ボトムポイント機構」と「トップポイント機構−サイドポイント機構」とによって定義される角度の定義される余弦を計算する。
４．ステップ２で選択された距離と同様（許容範囲内）の距離を他のポイントに対して有する任意のポイントに関して、収集された物理的ポイントセット（レジストレーションツールを使用して収集されたタッチポイント機構）を探索する。
５．対応する余弦が、ステップ３からのものに近い（許容範囲内）ことを検証する。
６．ステップ４と５との両方が妥当である場合、候補マッチを考察し、モデルポイントおよび候補マッチセットに関する最良適合アルゴリズムを適用する。
７．最良適合アルゴリズムが、定義されたしきい値よりも小さいエラーを返す場合、これはマッチである。
８．定位手術でのマニピュレータに関して、または２次ターゲットに関してアルゴリズムが使用される場合、ただ１つのマッチが予想される。この一意のマッチを使用して、変換が計算されて格納される。
９．顕微手術での両方のマニピュレータに関してアルゴリズムが使用される場合、２つのマッチが予想される。この場合、右側マニピュレータタッチポイント機構と左側マニピュレータタッチポイント機構とを識別するための追加のステップが存在する。
９．１ １つのマッチングされたセットからのトップタッチポイント機構とボトムタッチポイント機構とによって定義されるベクトルを考察する。
９．２ このベクトルの左右で、両方のマッチングされたセットからのポイントがいくつあるかを、３つのポイント（トップ、ボトム、およびあらゆる他のポイント）の全ての組合せの順序（時計回り／反時計回り）を使用して計算する。
９．３ その右側にただ１つのポイントがある場合、トップボトムポイントは、右側マニピュレータに属する（例えば、右側マニピュレータのベース）。
９．４ その左側にただ１つのポイントがある場合、トップボトムポイントは、左側マニピュレータに属する（例えば、左側マニピュレータのベース）。
９．５ 右側マニピュレータタッチポイント機構のみを使用して変換を計算して格納する。

本発明の方法のいくつかの実施形態は、ハードドライブ媒体、光学媒体、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、テープ媒体、カートリッジ媒体、フラッシュメモリ、メモリスティック、および／またはその他を含み、しかしそれらに限定されない任意の適切な形態のメモリまたはデータ格納デバイスなど、任意の適切なコンピュータ可読媒体（例えば、有形コンピュータ可読媒体）に格納されるソフトウェアとしてコード化されることがある。有形コンピュータ可読媒体は、情報を格納または転送することができる任意の物理的な媒体を含む。そのような実施形態は、（１つまたは複数の）特定のステップを行うためのコンピュータ実行可能（例えば、機械可読）命令を有する（または命令で符号化された）有形コンピュータ可読媒体として特徴付けられることがある。用語「有形コンピュータ可読媒体」は、搬送波など無線伝送媒体を含まない。しかし、用語「コンピュータ可読媒体」は、無線伝送媒体を包含し、本発明の方法のいくつかの実施形態は、上述したコンピュータ可読命令を搬送する無線伝送媒体を含むことがある。ソフトウェアは、当技術分野で知られている任意の技法に従って書くことができる。例えば、ソフトウェアは、任意の１つまたは複数のコンピュータ言語（例えば、ＡＳＳＥＭＢＬＹ、ＰＡＳＣＡＬ、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＢＡＳＩＣ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｐｅｒｌ、Ｐｙｔｈｏｎ）で、またはＭａｔｌａｂ（登録商標）、Ｒ、Ｓ−ｐｌｕｓ（登録商標）、およびＳＡＳ（登録商標）など、しかしそれらに限定されない科学パッケージを使用して書くことができる。コードは、全ての一般的なプラットフォーム（例えば、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）、Ｌｉｎｕｘ（登録商標）、Ａｐｐｌｅ Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ（登録商標） ＯＳ Ｘ、Ｕｎｉｘ（登録商標））にコンパイルできるようなものであってよい。さらに、ＯｐｅｎＧＬ（登録商標）などよく確立されたクロスプラットフォームライブラリを利用して、本発明の方法、デバイス、およびシステムの実施形態を実行することができる。適用可能な場合にはいつでもマルチスレッディングを使用することができ、現代のシングルプロセッサおよびマルチプロセッサベースのハードウェアプラットフォームでの演算時間を短縮する。上述して図面に示したように、ソフトウェアは、ＧＵＩを含むことがあり、ＧＵＩは、ソフトウェアを実行するときに、より直感的な感覚を使用者に提供することができる。スクリーンタッチ、マウス、および／またはキーボードによって様々なフィールドにアクセス可能にすることができる。アラームやキューなどを、ポップアップウィンドウ、可聴警報、または当技術分野で知られている任意の他の技法によって行うことができる。

上の段で説明されたステップのいくつか（最多では全て）は、ファームウェアでプログラムされた、および／またはソフトウェアを実行するプロセッサ（例えば、１つまたは複数の集積回路）を有するコンピュータを使用して実施されることがある。上の段で説明されたステップのいくつか（最多では全て）は、分散コンピューティング環境を使用して実施されることがあり、この環境は、コンピュータシステムの一例である。分散コンピューティング環境では、任意の適切な数の接続媒体（例えば、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、あるいは、イーサネット（登録商標）、エンタープライズワイドコンピュータネットワーク、イントラネット、およびインターネットを含めた、しかしそれらに限定されない他のコンピュータネットワークであり、コンピュータの間の接続は、有線または無線であってよい）によって接続されたものなど、複数のコンピュータが使用されることがある。サーバおよびユーザ端末は、所与のコンピュータシステムの一部であってよい。さらに、適切なコンピュータシステムの実施形態は、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）または大規模集積（ＶＬＳＩ）回路上に実装されることがあり、追加として（または別法として）、指定された機能を実現するためにリソースの仮想化、仮想コンピューティング、および／またはクラウドコンピューティングを使用するように構成されることがある。実際、当業者は、本開示に合致するコンピュータシステムで上述した機能を実現するために、論理演算を実行することができる任意の数の適切な構造を利用することができる。

（５．０ ＲＦコイルデバイス）
本発明のＲＦコイルデバイスの実施形態は、磁気共鳴イメージングでの集中的な信号対雑音性能を提供する。図７は、本発明のＲＦコイルデバイスの一実施形態で存在するＲＦコイルの概略図である。第２の無線周波数コイル１８０は、無線周波数（ＲＦ）コイル１９０よりも小さなＲＦコイルであり、より大きなＲＦコイル１９０によって実現されるよりも良い信号対雑音性能（またはより良い信号対雑音比（ＳＮＲ）性能）、したがって高い画像解像度をもたらす。第２のＲＦコイル１８０は、第１構造１００の中央領域内に位置決めされ、好ましくは、患者の対象領域付近での第２のＲＦコイル１８０の位置決めを可能にする。より大きなＲＦコイル、すなわちＲＦコイル１９０（第１構造１００内に位置される）と下側ＲＦコイル３５０（下側構造３００内に位置される）とは、第２のＲＦコイル１８０によってカバーされる領域よりも大きな面積を撮像することを可能にし、しかし、より低い信号対雑音比を有する。ＲＦコイルデバイス内部でのＲＦコイルのこの多様性は、集中的な信号対雑音性能を可能にし、その際、高い解像度を対象領域で提供することができ、それと同時に、より低い解像度でより大きな面積を完全にカバーするのに必要なＲＦコイルの数を最小にする。

図８Ａおよび８Ｂは、デバイス１０の一実施形態の２つの斜視図を提供する。デバイス１０は、より具体的にＲＦコイルデバイス１０と呼ばれることもある。図８Ｂは、１８０度回転された図８Ａと同じ実施形態を示す。デバイス１０は、第１構造１００と、下側構造３００とを含む。第１構造１００上の複数の位置に、磁気共鳴イメージング可視マーカー（図４でマーカー１４０として示される）が位置され、第１構造１００上に、複数のタッチポイント機構１１０が位置される。ＭＲＩ可視マーカー１４０とタッチポイント機構１１０とは、固定された空間関係を有し、デバイス１０に固定された患者に対するデバイス１０およびロボットアーム３０のＭＲＩおよび物理的レジストレーション方法によるレジストレーションを容易にする。図４に示されるように、ＭＲＩ可視マーカー１４０と着脱可能なキャップ１３０とが構成されることがあり、凹部１２０と、ＭＲＩ可視マーカー１４０を劣化させることがある材料がデバイス１０の殺菌により凹部１２０に浸入しないように設計された着脱可能なキャップ１３０とを含む。デバイス１０の適切な殺菌は、定位手術中に患者の頭部の近傍にデバイスを配置できるようにし、それにより、例えば、開頭部（例えば、開頭術または穿頭孔によって形成される）に最も近いデバイスの部分が、いくつかの実施形態では外傷から５０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では４０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では３０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では２０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では１０センチメートル未満であり、いくつかの実施形態では約５センチメートルである。

デバイス１０のいくつかの実施形態は、ＲＦコイル１９０、第２のＲＦコイル１８０、下側ＲＦコイル３００、ＭＲＩ可視マーカー１４０、またはデバイス１０の他の構成要素に悪影響を及ぼすことなく、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ ＰｒｏｄｕｃｔｓからのＳＴＥＲＲＡＤ（登録商標）１００Ｓ殺菌装置の過酸化水素ガスプラズマプロセス（これは、それに耐えるようにデバイス１０を構成することができる殺菌プロセスタイプの一例であり、上述した開頭部の近傍にこの殺菌装置を配置できるようにする）を使用して殺菌されることがある。これらの実施形態では、第１構造１００および下側構造３００の材料は、デバイス１０を真空（４００ｍＴｏｒｒ）にさらし、次いで過酸化水素プラズマ（約１７分間、約５００ｍＴｏｒｒで４００Ｗ ＲＦパワーで活性化されたＨ_２Ｏ_２プラズマ）にさらすことを含むプロセスによっては損傷を受けない。次いで、この真空露出および過酸化水素プラズマ露出プロセスが再び繰り返されることがある。

さらに、デバイス１０のいくつかの実施形態は、装着機構２００を含み、この機構２００は、少なくとも４の移動自由度での調節を第１構造１００に提供する。装着機構２００は、第１構造１００に固定された並進ブラケット２１０と、並進ブラケット２１０に結合された垂直ストラット２２０と、垂直ストラット２２０および下側構造３００に結合された上側アーチ２３０とを含むことがある。

いくつかの実施形態では、第１構造１００の調節に利用可能な４つの自由度は、頭足方向での並進（上下並進と呼ばれることもある）と、アップダウン方向での並進（前後並進と呼ばれることもある）と、方位角回転を含む移動と、傾斜を含む移動とを含む。

図９Ａおよび９Ｂは、頭足方向での第１構造１００の並進を示す。この調節は、垂直ストラット２２０に関する並進ブラケット２１０の直線並進を伴う。ストラット２２０は２つのチャネル２２２を含み、ブラケット２１０にある側部チャネル２１４を通ってストラット２２０の一方の側から他方の側に延在するピンを含むカムレバー機構２２７が解放されるときに、チャネル２２２内でブラケットレール２１２が頭足方向で移動することができる。他の実施形態では、ブラケット２１０とストラット２２０との間の図示された移動を容易にし、かつそれらを所定位置に係止するために、カムレバー機構２２７以外の機械的機構が使用されることもある。

図１０Ａおよび１０Ｂは、アップダウン方向での第１の構成１００の並進を示す。この調節は、上側アーチ２３０に関する垂直ストラット２２０の直線並進を伴い、これは、蝶ねじ２２１を緩めたり締めたりすることによって一部実現されることがある。他の実施形態では、これらの部品の間の図示された移動を容易にし、かつこれらの部品を所定位置に係止するために、蝶ねじ２２１以外の機械的機構が使用されることもある。

図１１Ａおよび１１Ｂは、方位角回転、または患者の頭部がデバイス１０に固定されたときに患者の身体中心線に実質的に平行な軸の周りでの回転を伴う第１構造１００の移動を示す。この調節は、上側アーチ２３０に関する垂直ストラット２２０の角度変位を伴い、これは、蝶ねじ２２１を緩めたり締めたりすることによって一部実現されることがある。他の実施形態では、これらの部品の間の図示される移動を容易にし、かつこれらの部品を所定位置に係止するために、蝶ねじ２２１以外の機械的機構が使用されることもある。

図１２Ａおよび１２Ｂは、傾斜を伴う第１構造１００の移動、または患者の頭部がデバイス１０に固定されたときに患者の一方の耳から他方の耳に延びる軸に実質的に平行な軸の周りでの回転を示す。この調節は、垂直ストラット２２０に関する並進ブラケット２１０の角度変位を伴う。この調節は、カムレバー機構２２７を使用して一部実現されることがある。チャネル２２２の上部（図８Ａおよび１０Ｂ参照）がブラケットレール２１２よりも十分に大きく、ブラケットレールがチャネル２２２内部で傾斜できるようになっているので、角度変位が可能である。他の実施形態では、ブラケット２１０とストラット２２０との間の図示される移動を容易にし、かつそれらを所定位置に係止するために、カムレバー機構２２７以外の機械的機構が使用されることもある。

また、図９Ａ〜１２Ｂは、デバイス１０が頭部クランプ３８０などの頭部クランプに装着されるように構成されることを示し、本発明のデバイスのいくつかの実施形態がＲＦコイルデバイスと頭部クランプとの両方を備えることを反映する。装着は、非永久的なものであってよく、頭部クランプ装着カムレバー要素２８０と下側要素２７０とを含む頭部クランプ装着システムを使用して実現されることがあり、下側要素２７０はそれぞれ、下側構造３００に結合されたブラケット２７２と、ブラケット２７２の開口を通してねじ切りされた蝶ねじ２７８とを含む。他の実施形態では、デバイス１０を所与の頭部クランプに結合させるために、要素２７０および２８０以外の機械的機構が使用されることもある。

図１３は、頭部クランプ３８０によって患者の頭部に固定されたデバイス１０の一実施形態の使用を示し、ここで、患者は、ロボット（より具体的にはロボットアーム）によって行われる定位手術処置を施される。ロボットアーム３０のエンドエフェクタ３５に結合された手術用ツール４０は、第１構造１００の中央区域端面部分１５５近傍の領域にある患者の頭部の一部分にアクセスできる。第１の構成１００の形状は、手術用ツール４０によってアクセスできるように第２のＲＦコイル１８０近傍の領域を提供する。図１を参照すると、この領域は、中央区域１５０の近傍であり、中央区域端面部分１５５によって境界を画される。また、図３は、左側区域１６０の左側区域端面部分１６５または右側区域１７０の右側区域端面部分１７５よりも横方向平面９６０の近傍に位置決めされた中央区域端面部分１５５によって画定されたアクセス可能領域を示す。横方向平面９６０は、長手方向平面９５０に垂直である。長手方向平面９５０は、患者の中心線９７０に実質的に平行であり、中央区域１５０に交差する。

当業者は、デバイス１０の構成要素で使用される材料がＭＲＩ環境内部での使用に適するべきであることを理解されよう。例えば、第１構造１００と装着機構２００の構成要素とに良く適した材料は、それぞれ、ポリプロピレンとポリ塩化ビニルタイプ１とを含む。固定具など、より高い強度が必要とされる領域での使用には、チタンが良く適している。

本発明の方法、デバイス、およびシステムを不要な詳述で不必要に曖昧にしないように、よく知られている処理技法、構成要素、および機器の説明は省略した。本発明の方法、デバイス、およびシステムの説明は、例示であり、非限定的なものである。特許請求の範囲の範囲内にあり、しかし本開示に明確には記述しないいくつかの代替、修正、追加、および／または再構成が、本開示に基づいて当業者に明らかになることがある。例えば、本発明のレジストレーション方法は、図面に示されたもの、および’３１６特許におけるもの以外のロボットアームに対して患者をレジストレーションするために使用されることがある。さらに、作業実施形態の発展形態では、実装形態ごとに異なるシステム関連およびビジネス関連の制約との適合など、開発者の特定の目的を実現するために多くの実装形態特定の決定をしなければならないことが理解されよう。そのような開発努力は、複雑で時間のかかるものであることがあるが、それにも関わらず、本開示の恩恵を受ける当業者にとっては慣例的な作業である。

添付の特許請求の範囲は、所与の特許請求の範囲において（１つまたは複数の）語句「ための手段」および／または「ためのステップ」をそれぞれ使用して限定が明示されていない限り、ミーンズプラスファンクション（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ）限定を含むものとは解釈されない。

Claims (6)

1. ロボットアームに向かう患者の一部分の３次元体積をレジストレーションするシステムであって、
   手術器具を操作する構成とした少なくとも一つのロボットアームと、
   レジストレーションツールと、
   レジストレーションツールと整合する形状とし、それぞれがロボットアームへの固定空間関係を備えた、複数のアームベースタッチポイント機構と、
   複数のマーカーと、
   レジストレーションツールと整合する形状とし、それぞれが複数のマーカーの少なくとも一つへの固定空間関係を備えた、複数の第１構造タッチポイント機構と、
   患者との関連付けを解放できる構成とし、第１構造タッチポイント機構に一つ以上設けられたマーカーに関連付ける構成とした、第１構造と、
   ロボットアームとマーカーを備えたタッチポイント機構それぞれの固定空間関係とアームベースタッチポイント機構および第１構造タッチポイント機構の位置に基づき患者の３次元体積に対応してロボットアームの位置決定の変換を演算する構成としたコンピュータシステムと
   を備えることを特徴とするシステム。
2. 磁気共鳴（ＭＲ）イメージングシステムと組み合わせた手術構成において、
   前記マーカーは、ＭＲ可視マーカーであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 画像座標系内に示される１以上のマーカーの位置基づき患者の３次元体積に対応してロボットアームの位置決定の変換としたことを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. １以上のアームベースタッチポイント機構が、ロボットアーム上に配置されていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 少なくとも４以上のアームベースタッチポイント機構が、ロボットアーム上に配置されていることを特徴とする請求項４記載のシステム。
6. 第１構造に解除可能に取り付ける第２構造をさらに備え、
   １以上の第１構造タッチポイント機構は、第２構造によって設けられるものであることを特徴とする請求項１記載のシステム。